低空無人機在測繪工程中的應用研究

摘要：本文首先針對低空無人機進行了概述，其次對低空無人機在測繪工程中的應用優勢進行了分析，最后對低空無人機在測繪工程中的應用進行了一一列舉，希望能夠幫助到相關人士。

關鍵詞：低空無人機；測繪工程；應用研究

引言

隨著科技的進步，低空無人機產品的功能變得越來越豐富，它擺脫了傳統應用模式，也擺脫了單一靶機；也開始在我國測繪應用中得到了廣泛使用，以此進行監控和地圖地形的繪制工作，并且在農田水利規劃項目中也發揮出了一定的作用，對于工作效率的提升具有顯著效果；我國相關部門已經對無人機的交通法規進行了完善，低空無人機在我國各類工作中的應用也更加規范，尤其針對測繪工作，低空無人機的的應用效果較為顯著，因此受到了一定的重視，如何進一步加強低空無人機的測繪功能的建設，成為了低空無人機使用的主要研究內容，也對現代無人機制造企業和研究團隊提出了難題，因此也備受社會各界人士的關注。

1.低空無人機的概述

無人機的全稱是無人駕駛飛機，指的是通過一定設備進行無線電遙控對無人機進行控制飛行的一種技術，它需要地面設備進行輔助，而且還需要機載遙感設備以及平臺載體；無人機技術可以讓地面的工作人員了解數據信息，在預警方面也有重大突破，同時在獲取信息這一方面得到了廣泛應用[1]。無人機各項參數如表1所述。

無人機技術的應用有一定特點存在，它的優勢不需要有固定的跑道，不限制各種場地運用，無論是特殊地帶還是沙灘山坡，均可以迅速飛行；回收時采用傘降、滑行及其他方式，既方便又快捷，不耽誤時間；該技術影像采集的數碼分辨率極高，它是通過數碼相機獲取影像，并且獲取的信息具有準確性，獲取時間及時；還能夠提供清晰的影像信息，更直觀更可靠地獲取影像信息，為資料準確科學性提供了保障，以此形成了無人機遙感技術為核心的系統，它可以快速獲取空間內的信息[2]。低空無人機在測繪工程測量中的優勢遠遠大于傳統測量技術，可以使目標地區的相關信息更為直觀，也方便查看；無人機技術使監測效率提高。

2.低空無人機在地形圖測繪中的應用方法

2.1測繪流程

低空無人機測繪流程分為準備階段、外業實施階段、數據處理階段。不同階段工作如下：

2.1.1準備：工作人員應當首先對無人機型號進行選擇，其次，對測繪當地的資料進行整理，并設計無人機飛行路線，安排工作人員對無人機進行控制，并對資料進行收集。

2.1.2外業實施：在此期間，工作人員需要對像控點進行布設，其次進行外業實地飛行。飛行前應當充分考慮到天氣對測繪的影響，嚴格控制影像旋偏角，避免角度過大，從而影響數據質量以及準確性。

2.1.3數據處理：當獲得圖像后，可通過影像畸變差改正、空三加密以及圖像編輯等形式，最終形成可視化的測繪結果。

2.2影像獲取

2.2.1傾斜影像獲取系統

選擇八旋翼無人機系統搭A6000三相位搖擺式傾斜攝影系統完成傾斜攝影測量任務，無須受場地地形影響，場地選擇方便，起飛降落場地即可在測區內完成，大大縮短了飛行航程，降低了飛行時間，采用雙拼兩鏡頭搖擺相機飛行80m。

飛行設計：經過實驗驗證1.5cm地面分辨率，航向重疊80%，旁向重疊60%，相對行高100m，獲得最佳得航攝數據，獲得的航飛數據能夠滿足地籍測繪的要求。

八旋翼無人機攝影系統：起飛總重量5kg～6kg，翼展1.2m，續航40min。作業高度50m～200m。

三相位搖擺式傾斜攝影系統：采用雙相機∠30°對置，配置單軸擺動云臺，沿飛行方向前后擺動30°，獲取前中后三方向的影像數據。

2.2.2航空攝影技術參數設定

A.地面分辨率設定：1∶500比例尺成圖所需航片地面平均分辨率為主片不低于0.015m。飛行相對高度約為80m。

B.采用相機焦距：20mm，武漢大勢雙魚座傾斜相機，雙鏡頭，單鏡頭2400萬像素，分辨率4.8μm；

C.滿足如下的要求：

航線間隔和旁向重疊度要求控制在80%、60%。

傾斜相片傾斜角為45°；

每條航線的有效航片要超出成圖范圍一個航線。

D.照片數據的存儲和包裝。

照片數據飛行后導出，按鏡頭自動導出，編寫架次號、鏡頭號及相機POS文件，確定5個相機或雙拼相機文件夾內文件個數、起止點相同，經檢查相片色彩、質量、編號后，按項目、日期保存。

2.2.3航空攝影實施

A.航攝前準備工作

對多旋翼無人機整體進行全面系統的檢查。主要包括正反漿安裝檢查，云臺報戶扣是否卸下，槳葉損壞檢查、電池電量檢測，GPS搜星狀態，相機電量、存儲、內存，開關、曝光速度。

起飛前先啟動遙控器，再啟動飛行器。降落后先關閉飛行器，再關閉遙控器，嚴禁以上順序逆轉進行。起飛前必須保證飛行器與飛手保持至少5m距離，飛手操作過程中嚴禁人群站立在飛手兩肩平行線前方。

正式開展飛行前應進行簡短的懸飛停留，用遙控器檢測各電機及各部件能否正常工作，檢查無誤后方可作業。

B.航空攝影的實施

一切準備就緒后，機組人員邊在機場等待合適的航攝天氣，邊對航攝硬件進行檢查維護，確保設備處于最佳狀態，待到能見度好，碧空無云的晴朗好天氣時，逐條航線進行航空攝影，爭取在同一架次或相似的氣候條件下執行航飛任務。

C.質量控制與檢查

對提交的成果影像要保證單張彩色相片影像清晰，能夠正確地辨認出各種地物，能夠精確地繪出地物的輪廓，相鄰的影像間相同地物色調基本一致，整個攝區的相片色調效果也基本均勻一致。

2.2.4攝影質量控制措施

A.飛行質量控制措施：

導航：采用GPS導航，檢查GPS導航儀的工作狀況，防止因衛星失鎖造成GPS導航失效。

B.攝影質量控制措施：

利用飛行管理系統軟件控制飛行，保證飛行數據準確。

攝影時間：嚴格按照航攝規范確定攝影時間。

攝影天氣控制：嚴格掌握攝影天氣。原則上航攝必須在晴天碧空，能見度良好時進行。本攝區可在云下進行，但必須保證地面無云影，并有足夠的光照度。

曝光參數的選用：根據飛行高度、大氣能見度、太陽高度角和等情況正確選擇合理的曝光參數，保證影像質量。

C.航攝結束飛機返場后，攝影員要采用飛行管理軟件，立即對獲取的攝站點GPS坐標數據作技術處理，當天評價飛行質量，若有不合格航線立即組織補飛。存儲航片影像數據的介質在做妥善包裝后，當天由專人護送至基地做數據后期處理，數據處理中心在第二個飛行日前將航片數據質量檢驗報告送交現場人員，以便及時修改作業方案。

2.3點位布設與加密

2.3.1像控點布設原則

A.點位布設原則

①像控點全部布設為平高點，像控點按照區域網布設先布設目標范圍周邊再在測區中間布設，布設的距離為300m左右一個像控點。布點時應注意，所布點應能有效控制住成圖范圍，測段接頭處不得有漏洞。同時為驗證空三加密精度。

②自由圖邊的像控點必須布在圖廓線外。

B.點位選擇要求

①像控點布設在四周通視條件良好的地面上能明顯定位的地方，如線狀地物的交點或地物拐角上，交角必須良好（交角> 30°，< 120°），及影像< 0.2mm的點狀地物中心。弧形及不固定的地物不得作為刺點目標；

②實際點位在設計點位的基礎上可以移動，實際布設航向方向上可以移動30m，旁向方向移動范圍控制在20m之內；

2.3.2像控點的選刺和編號

A.像控點必須首先在室內按照設計和相片條件進行初選，在相片上標出概略位置，實地選點刺點。野外選點時，應仔細判讀相片，選擇最好的目標刺點，并現場整飾。刺點文字說明要簡練明確，交代清楚點位和相片上周圍相關地物的關系，同時繪制點位略圖。像控點以P字為頭，流水編排；不得出現重號。采集完畢，將控制點導出放入相應的測區范圍文件夾內，妥善保存。

B.像控點選點要求：點位應選在影像清晰的明顯地物點，線狀地物交點、地物拐點或固定的點狀地物上，局部高程變化很小的地方。弧形地物與陰影處不得作為刺點目標。

2.3.3像控點測量

像控點測量利用采用RTK方法測量（務必要對中測量，并測量3次，取平均值作業最終成果）獲取像控成果。

2.4影像后期制作

2.4.1空三加密

空三加密采用德國INPHO公司全數字攝影測量工作站完成，空三加密經過像點連接、像控點量測、平差計算過程。該軟件能對多種傳感器影像進行自動空三加密、DTM、DSM的匹配以及DOM的自動生成。該軟件的匹配精度和數據處理效率居世界同類軟件之首。

2.4.2數據整理

（1）空三加密使用德國產INPHO軟件。

（2）建立INPHO工程。

（3）將GPS曝光點數據轉換成該項目坐標系下的直角坐標，作為航片主點坐標的初始值。

（4）明確該工程使用的相機文件，以及飛行方向＼相片的像素分辨率＼該架次飛行區域的平均海拔高程。

（5）在INPHO軟件中，將野外像控點轉刺，根據像控點點之記進行轉刺。

（6）量測完后進行最終的平差計算，并利用外業高程點進行檢查。如果空三的高程精度不符合本項目要求，就把外業點也都當高程控制點參與平差，平差解算的時候一定不要打開自檢校參數。

（7）為了提高空三加密的生產效率，空三加密的作業流程可以采用先完成內業加密點量測等工作，等外業點成果提交后，再量測外業點，最后進行平差計算，平差結果滿足各項限差要求將成果提交采集工序，并上交資料室存檔。

2.4.3三維立體模型構建

為了執行三維重建，Smart3D可以準確地獲得每個影像組的屬性以及影像的姿態信息，如果這些信息缺失，或者不夠精確，Smart3D會自動計算出這些信息。

空中三角測量會基于某個現有區塊，運算出一個新的包含計算或糾正后屬性的區塊。

空中三角測量可以將當前攝影機的坐標（例如GPS值）或者控制點用于地理坐標參考。

空三運算的結果有以下應用：

（1）用于理解場景和圖像的空間結構；

（2）可導出為XML與KML文件，供第三方軟件使用；

（3）用于在Smart3D實景建模大師中進行三維重建。

基于空中三角測量成果，smart3D對影像進行三維重建，生成立體模型。

3.低空無人機測繪工作中的發展應用

3.1加大國家對無人機測繪的監管力度

根據最新頒布的中國民航局規定，對低空無人機產品進行了細化分類，分類的方式按照實際功能和重量進行，還規定了無人機標準飛行高度，不可逾越，且無人機飛行必須在500m可視飛行范圍內進行。對于那些自身重量比較重的無人機來說，有明確要求接入“電子圍欄”以及“無人機云”。

3.2完善和創新無人機測繪技術

第一，研究的技術人員要重視低空無人機的測繪功能研發，要與機載設備進行融合，二者兼容讓性能得到提升，實現無人機測繪水平的提高；第二，提高低空無人機的分辨率和精準度，在地形比較復雜的區域工作，需要提高無人機影像的清晰度；第三，構建三維數字模型，強化低空無人機在測繪中的拍攝功能，完善在拍攝過程中存在的死角問題，提高測量能力，讓低空無人機在工作中可以呈現三維立體化效果[4]。

結論

綜上所述，低空無人機技術在測繪工程中發揮出相應的作用，需要擴大無人機的測繪范圍，提高測量的精準度，完善測量效率，在此基礎之上還要降低測量成本，這才可以實現低成本高質量工作目標；另外，無人機在地形測繪工程應用時，要與其他技術進行兼容，不能單一發展一項技術，還要完善無人機因氣候環境所造成的問題，提高數據傳輸方式來確保測繪數據的精確性和有效性；結合航空測繪和衛星遙感技術，不斷提升無人機技術水平，為日后的測繪工程打下堅實基礎，為測繪工程的實施提供保障。

參考文獻：

[1]楊陽，唐曉嵐，詹巧巧，賈艷艷，李哲惠，等；基于無人機低空航拍航測技術的傳統聚落調查及其應用前景——以南京市老門東為例[J/OL].中國園林： 1-5[2021-01-20].

[2]孫生海，張建，景欽剛，等；無人機低空航空攝影測量在變電站大比例尺地形圖的應用[J].電力勘測設計， 2020（S2）： 36-39.

[3]房印闖，韓輝云，張華，等；低空無人機探測反制的關鍵技術研究[J].中國新通信， 2020， 22（22）： 55-56.

[4]郭劍，吳迪，賀國偉，等；基于無人機低空航測的地面目標影像匹配方法研究[J].環境技術， 2020， 38（05）： 166-171.